硫酸盐侵蚀下混凝土排污管道损伤研究

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1、孙连方等：硫酸盐侵蚀下混凝土排污管道损伤研究3DOI：10．13905／j．cnki．dwjz．2015．07．002硫酸盐侵蚀下混凝土排污管道损伤研究孙连方，程旭东，范燕平，李潇南(中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院。山东青岛266580)【摘要】为研究混凝土排污管道在硫酸盐侵蚀下腐蚀破坏全过程，考虑管道内水位随时间的周期性变化规律，将污水管管壁分为水位循环区和水下区，建立循环函数以考虑水位循环区循环性边界条件。以COMSOL软件为基础开发数值模拟程序，通过算例分析对比不同侵蚀时刻水位循环区与水下区的硫酸根离子分布与应力发展情况。结果表明：对于混凝土排污管道，在侵

2、蚀初期其水位循环区受硫酸盐侵蚀下硫酸根离子的扩散及膨胀应力的发展与水下区相差不多，但随着侵蚀时间的发展两者的侵蚀程度相差越来越大。【关键词】硫酸盐侵蚀；混凝土；排污管道；循环边界；数值分析【中图分类号】TU823【文献标识码】B【文章编号】1001—6864(2015)07—0003—03城市污水管道系统作为一种重要的基础设施，在OU0=＼D)～维持城市正常运营，保护城市生态环境以及人们的身0Ceq体健康等方面都起着举足轻重的作用。但是作为运用一：一k．(1)Otq广泛的混凝土排污管道，其腐蚀现象十分严重，因式中，U为硫酸根离子浓度；t为侵蚀龄期；为到此研究污水管道的腐

3、蚀规律对于混凝土污水管道系侵蚀面距离；D．．为扩散系数；k为化学反应速率常数，统的腐蚀状态预测和维修措施的选取以及使用寿命c为反应过程中铝酸钙类物质等效总浓度；C=的估计具有重要意义。文中通过数值分析，重点研究C4ASH2+y2c3A+CAHl3；q为化学方程统一后混凝土污水管道静态下受硫酸盐侵蚀状态，并考虑水CSH2的加权平均系数，q=23,。+3y：+3y。；定义系数位循环变化情况分水下区和水位循环区，研究硫酸根离子的扩散过程、由于钙矾石的生成引发的膨胀应变y为每个铝酸钙类物质成分占总铝酸钙类物质含量的发展过程和相应的应力发展过程，对混凝土污水管道比例。的施工和耐久

4、性设计提供重要的理论指导。初始条件为T=0，∈(0，L)：U=0，C。。=Ca0；1混凝土污水管道硫酸盐腐蚀机理简述边界条件为：T>0，=0，=：U=。C。，C。=0。其混凝土在硫酸钠(Na：SO)溶液中的生成物水化中，为侵蚀方向厚度；C为初始铝酸钙类物质等效硫铝酸钙(CAsH。)，俗称钙矾石。钙矾石溶解度总浓度；。为初始孔隙度；Co为硫酸钠溶液浓度。非常小，并结合了大量结晶水使体积显著增大，对应化2．2硫酸根离子的扩散系数学反应及体积变化系数o见表1。混凝土内部的固扩散系数D是与孑L隙度相关的函数：有孔隙随着混凝土孔隙被钙矾石填满，钙矾石互相挤Du=(+D(C，t))

5、·D(2)压将产生极大内应力，从而致使混凝土结构受到破坏。式中，D为s0一在混凝土孔隙液中的初始扩散系数；为受水泥水化影响的混凝土材料的孔隙度；D表1体积变化系数(C，t)为混凝土材料的损伤函数。化学反应=·(w／c一0．39h)／(w／c+0．32)(3)C4ASHl2+2CSH2+16H-+C6AS3H32O．55式中为水泥体积分数；w／c为水灰比，h=1—C3A+3CSH2+26H_C6AS3H321．310．5x[(1+1．67~)。。+(1+0．29~)_。·]为水泥水化C4AHl3+2CH+3CSH2+17H—C6AS3H320．48程度，其中为水泥水化时间

6、，当w／c≤o．39h时2数学模型取0。2．1扩散一反应方程D(C，t)=(1一0)(1一exp(一6Dt／t0))(1—1／(1混凝土遭受硫酸盐溶液侵蚀时的动态扩散一反+c。(c／c0)))(4)应方程可表示如下：当w／c=0．45时，bD=1．743，cD=6．752，dD=[基金项目]山东省自然科学基金(ZR2012EEL23)4低温建筑技术2015年第7期(总第205期)3．819，Co取0．08，t。取720，day，。为混凝土初始孔隙范》规定对于直径400ram的污水管道其设计充满度K率。=0．65，污水总变化系数取1．3，从而确定400mm2．3混凝土体积

7、应变与应力计算直径污水管道的高水位与平均低水位分别如图2中a各铝酸钙类物质成分在充分反应后所导致的单线和b线所示。数值计算相关计算参数列于表2。位体积混凝土体积变化：△=Ot··m其中ot为每个化学反应对应的体积变化系数，i为每个铝酸钙表2数值计算相关参数类物质成分的百分比，mi为对应反应物的摩尔体积。参数名称取值参数名称取值混凝土的体积应变：水灰比w／e／lO．45硫酸钠溶液浓度Colmol·nl～352．1初始孔隙度9o／l0．o8铝酸三钙初始含量／mol·InI3134．6s=c’∑△—f‘(5)石膏初始含limol-mI33％化学